Laser Kids - О том, как сделать твердотельный лазер со светодиодной накачкой

Мысль сделать твердотельник с накачкой от светодиодов приходила и продолжает приходить каждому из тех, кто занимается лазерами, неважно специалисту или самодельщику. Предварительные рассуждения, сопровождающие эту мысль весьма соблазнительны: "Возьму пару светодиодов от прожектора, ватт на сто каждый, присобачу как-нибудь лазерный стержень. Авось, ватт пять - десять вылезет." Почему пять-десять? Да потому, что человек ориентируется на широко разрекламированную цифру кпд лампового лазера в 1%, и думает, что со светодиодами непременно получится только лучше...

Если же от предварительных измышлений перейти хотя бы к грубым, но оценкам, то получится вот что:

Вот, собственно, на эти четыре вопроса я и пытаюсь дать ответ в этом веб-репорте. Закончится ли этот веб-репорт созданием лазера со светодиодной накачкой пока неясно даже мне. Однако, даже если дело и не закончится созданием "LEDpSSL", думаю, что в любом случае собранные данные о работе светодиодов в импульсных режимах будут интересны многим, а кому-то еще и пригодятся на практике.

ЛИРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ №1 О названиях.

Прежде чем рассказывать о том, какие параметры измерялись и как, следовало бы остановиться на том, параметры чего именно измерялись. Любая мало-мальски серьезная работа по изучению параметров радиодеталей должна начинаться примерно так: "Исследовались транзисторы марки 2n2222 производства фирмы Phillips, партия такая-то, год выпуска такой-то..." Однако, тут-то нас и поджидает первая волчья яма. Все, что можно на эту тему сказать, звучит примерно так: "ИЗМЕРЯЛИСЬ ПАРАМЕТРЫ КИТАЙСКИХ СВЕТОДИОДОВ РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ЦВЕТОМ СВЕЧЕНИЯ И НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ." Ни убавить ни прибавить. А все дело в том, что наши собратья из Поднебесной не утруждают себя тщательной каталогизацией продукции и выпускающих ее небольших фирмочек. На то имеются свои причины.

Во-первых: если продукт раньше времени вышел из строя, его некуда возвращать.

Во-вторых: если продукт нарушает чьи-то патенты, жаловаться не на кого.

В третьих: фирмочек выпускающих и перепродающих светодиоды у них там действительно очень много. И отследить, от кого именно произросла та или иная партия, сложно даже для них. Да и смысла в этом немного: уровень производства у фирмочек примерно одинаковый, и большинство светодиодов имеет примерно одинаковые свойства. И так понятно, что если не откровенный брак, то все светодиоды светить будут. Одни чуть мощнее, другие чуть слабее. Цвет (спектр) у них будет примерно одинаковым, да и развалятся они примерно за одинаковое время. Так что конечного пользователя обычно не должно интересовать кем именно и когда именно произведен данный конкретный светодиод (ну, по крайней мере, они так считают).

А приводит это к тому, что покупая светодиод даже у серьезных дистрибьютеров навроде Промэлектроники или Элитана, в каталоге (или в чеке, или в накладной) будет написано что-то типа: "LED белый, 1W, Китай."

Проблем с идентификацией светодиодов можно было бы избежать, если ориентироваться на "белую" продукцию "белых" фирм (Cree, OSRAM и т.п.). Их названия, как правило, хорошо известны. да и по характеристикам такие диоды, обычно, получше, чем "noname". Но в том-то и дело, что светодиодов для накачки лазера потребуется много, и Вас в первую очередь будут интересовать параметры дешевых "noname" диодов, нежели дорогих. Если бы цена Вас действительно не парила, вы бы и вовсе не заморачивались насчет лазера со светодиодной накачкой. Делали бы сразу с накачкой от лазерных диодов, как все "белые" люди во всем цивилизованном мире.

Сделав это лирическое отступление можно с чистой совестью назвать объекты нашего внимания.
Это:

МОЩНОСТЬ В ПОСТОЯННОМ РЕЖИМЕ

Излучаемая диодами мощность измерялась самодельным Пельтье калориметром. Излучающая часть диода устанавливалась вплотную к поверхности калориметра, но без физического контакта (воздушный зазор 0.2..0.5 мм). Поскольку рабочая площадка калориметра довольно велика (30х40мм) такая установка диода позволяла перехватывать почти все его излучение (угол охвата 158 х 162 градуса, что обычно больше, чем угол раскрыва диаграммы направленности светодиода).

При измерениях диоды питались от двухтранзисторного стабилизатора тока, описанного здесь.

Полученные результаты показаны в таблице №1. Не обольщайтесь количеством значащих цифр. Дрейф нуля Пельтье калориметра в условиях экспериментов был около 2 мВ, а именно он и дает основной вклад в погрешность.

таблица №1. Результаты тестов LED на мощность излучения

Занятно, что кпд хотя бы некоторых диодов оказался довольно высок. Так например падение напряжения на глубоко красном (deep red, 730нм) диоде в рабочих режимах составляет около 2.4 Вольта. При токе 1.2 ампера это дает 2.9 Ватта подводимой мощности питания. А излучает диод при этом 0.86 Вт, что дает кпд 29%. И это при том, что перехвачен только свет, идущий в переднюю полусферу от диода. Излучение с обратной стороны кристалла лишь бесполезно греет подложку и корпус.

Занятно и то, что 740-вые диоды, хотя и обозначены, как "3W" допустимый ток на упаковке указан в 700 мА. Падение напряжения указано там же на упаковке. Написано: "от 2 до 2.4 Вольта". Не знаю, как у Вас, но у меня при перемножении 0.7 Ампера, что на 2 Вольта, что на 2.4 Вольта, три ватта ну никак не получается.

ПОГЛОЩЕНИЕ НЕОДИМОМ В ЛАЗЕРНОМ СТЕРЖНЕ

Даже имея очень много очень мощных светодиодов бессмысленно пытаться сделать на их основе лазер, если их излучение не поглощается лазерным стержнем.

Как уже отмечено выше, в качестве лазерного стержня взят YAG:Nd, поскольку порог генерации для него самый низких сред. В нынешние времена такой стержень несложно купить на eb@y, aliехрress, 0z0n, amaz0n и других интернет торговых площадках - Были б деньги и желание.

Полосы поглощения в рубине шире и интенсивнее, чем в YAG, поэтому подходящий по спектру LED для него подобрать проще. Но, к сожалению рубин не является достойной альтернативой. Дело в том, что рубин при комнатной температуре работает по трехуровневой схеме лазерной генерации, а это значит, что чтобы усиление в нем сравнялось с поглощением, нужно, чтобы ПОЛОВИНА всех содержащихся в стержне активных центров была в возбужденном состоянии. Даже для маленьких и тонких стержней накачать половину ионов означает вложить несколько джоулей в стержень, а, как мы видели из прикидок во введении, со светодиодами никаких джоулей не ожидается. Единицы миллиджоулей. В лучшем случае - десятки.

Стекло с неодимом среда четырехуровневая, но она уступает алюмо-иттриевому гранату по всем параметрам, за исключением, быть может, цены. А в качестве активатора используется все тот же неодим.

Неодим в YAG'е (да и в других средах) имеет 5 полос поглощения (См табл.2).

Таблица №2. Оценочные характеристики полос накачки иона неодима (по данным [1])

Обратите внимание, что интенсивность поглощения в таблице указана в относительных единицах. Реальная величина поглощения будет зависеть от расстояния, которое свет проходит внутри лазерного материала (проще говоря - от диаметра стержня) и от концентрации ионов неодима. Поэтому сама по себе таблица еще не дает ответа на вопрос: "а какой процент излучения светодиодов поглотится в стержне?", но лишь позволяет ориентироваться в том, какие светодиоды использовать лучше, а какие вообще бессмысленно.

На обе инфракрасные линии поглощения (880 нм и 808 нм) светодиодов в продаже не найдено. И это тем более странно, что линия 808 нм излюблена производителями лазерных диодов накачки для твердотельных лазеров.

В литературе рекомендуют использовать диоды с центром линии излучения в 750 нм. Однако несмотря на заверения авторов статьи [2], что такие диоды доступны широко и стоят недорого, в продаже они тоже не обнаружились. Из близкого удалось найти лишь диоды на 730 и на 740 нм. Излучение таких диодов уже вполне хорошо видно невооруженным глазом, что и определило вид первого опыта: взять, да и посмотреть, насколько темнее выглядит включенный светодиод при рассматривании его сквозь лазерный стержень.

Результат оказался несколько неожиданным: даже при рассматривании вдоль лазерного стержня длиной 100 мм субъективно не было замечено, чтобы свечение диода (3W 730nm) выглядело сколь-нибудь слабее. То же относится и к зеленым диодам. Единственный вид диодов, пригасание свечения которых при наблюдении сквозь стержень оказалось заметным визуально, это оранжево-желтые.

После некоторого шока от полученного результата, было предположено, что неодим быстро выедает ту часть излучения, которая соответствует его пикам поглощения, а весь остальной свет путешествует по стержню почти беспрепятственно. Стало быть "на глаз" выводов не сделаешь. Надо мерить.

Следующей была попытка "по тупому" засунуть стержень между светодиодом и калориметром и попытаться определить поглощение через разность показаний. Использовался стержень диаметром 3 мм.

Результат: в пределах погрешностей измерений поглощения не обнаружено.

Оно, в принципе, и понятно. Пусть даже поглощение в стержне есть 100%, но если стержень перехватывает лишь 10% света, идущего от светодиода, то и разность показаний со стержнем и без стержня не превысит 10%. А если, к тому же, 10% есть погрешность измерений, то, понятное дело, ничего вразумительного опыт не даст.

В итоге изготовлена щелевая диафрагма на калориметр, позволяющая сделать так, чтобы свет, идущий мимо стержня, не вносил вклад в показания. Получающаяся схема измерений показана на следующем рисунке.

Модель для 3D печати диафрагмы на Пельтье элемент размерами 40х40 мм можно скачать по этой ссылке: Peltier_Slit.stl

Полученные с диафрагмой результаты находятся в таблице 3:

Таблица 3. Результаты измерений поглощения излучения светодиодов трехмиллиметровым стержнем YAG:Nd

Видно, что за счет применения диафрагмы полезный сигнал упал, и несмотря на то, что в этих измерениях дрейф нуля не превышал 0.5 mV относительная погрешность результата оказалась большой, и извлечь из него что-то полезное довольно трудно. Для сравнения можно сказать, что коэффициент Френелевского отражения на поверхности раздела воздух/алюмоиттриевый гранат равен 8..9%. Т.е. 16..18% на обе грани. А это значит, что если пользоваться пессимистическими оценками из доверительного интервала (см табл 3), то даже для диода на 730 нм поглощение, в общем-то, не обнаружено.

Дабы снизить погрешность измерений и получить вразумительные оценки поглощения сделана попытка заменить Пельтье-калориметр на солнечную батарею. Однако датчик на основе солнечной батареи оказался существенно нелинейным и при измерениях в режиме фототока и в фотовольтаическом режиме. Причем где-то на самом начальном участке (единицы милливольт и микроампер) линейность, похоже, есть, но тут она ни в кассу, потому, как при столь малых сигналах погрешность окажется не лучше, чем с Пельтье. Заметим, что в (относительно) недавних опытах с довольно мощными лазерами линейность Пельтье калориметра была продемонстрирована аж до 30 Вт (см. напр. здесь).

На барахолке найден фотодиод с довольно большой чувствительной областью. Вот его фото:

Маркировка на корпусе диода отсутствует, да и продавец его тип назвать, конечно-же, затруднился.

В отличие от солнечной батареи фотодиод таки сподобился продемонстрировать хотя бы небольшую область линейности. В фотовольтаическом режиме область линейности найти не удалось, зато в режиме фототока данный фотодиод более менее линеен до токов в 1 мА.

Для измерений фотодиод (как и Пельтье калориметр, как и солнечная батарейка) использовался совместно со щелевой диафрагмой. Общий вид датчика показан на следующем фото:

Результаты измерений, выполненных с фотодиодом в качестве датчика, даны в таблице 4.

Таблица 4. Результаты измерений поглощения излучения светодиодов трехмиллиметровым стержнем YAG:Nd

В последнем столбце таблицы поглощение с учетом Френелевских потерь, но без учета поправки на люминесценцию самого стержня. Френелевские потери на одну грань рассчитывались следующим образом:

где Iо - фототок при облучении фотодиода светодиодом через диафрагму.

Irod - то же, но когда между светодиодом и датчиком установлен стержень YAG:Nd.

Темновой ток фотодиода при измерениях был мал, и им пренебрегалось. Линейность фотодиода подтверждается тем, что для всех случаев (исключая зеленый светодиод) фототок при токе питания светодиода в 0.64 ампера был примерно вдвое больше фототока при токе питания светодиода в 0.32 ампера. Что до зеленого светодиода - он и сам не особо линеен для выбранных токов питания
(см. табл. 1).

Несколько озадачивает, что поглощение для глубоко красного и желтого светодиодов получилось примерно одинаковым, хотя "на глаз" оно совершенно разное. Настораживает и явно завышенный результат поглощения для белого светодиода.

Чтобы это "на глаз" превратить в нечто зримое, были сделаны фотографии люминесценции стержня под действием излучения светодиодов разного света. Снимки делались Фотокамерой Nikon Coolpix 4600 через сфетофильтр из стекла HWB850.

Фотография люминесценции стержня YAG:Nd под действием излучения светодиода с желтым цветом свечения.

Фотография люминесценции стержня YAG:Nd под действием излучения светодиода центром линии излучения вблизи 730нм.

Фотография люминесценции стержня YAG:Nd под действием излучения светодиода белого цвета свечения (теплый белый).

Видно, что в стержне, подсвеченном желтым светодиодом люминесцирует короткий участок вблизи подсвеченного торца. При подсветке глубоко красным диодом (730 нм) люминесцирует довольно длинный участок стержня, что свидетельствует о меньшем поглощении. Излучение белого светодиода поглощается еще слабее.

РАЗГОН В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

Следующий вопрос, на который необходимо ответить, это "какую максимальную энергию светодиод может высветить за 250 мкс?"

Напомню, что 250 мкс - это время жизни верхнего лазерного уровня в YAG:Nd. Если длительность импульса свечения светодиода меньше 250 мкс, для накачки стержня становится важна только полная, выданная светодиодом за импульс, энергия света. Мощность не важна абсолютно. Напротив, если длительность импульса свечения светодиода много больше 250 мкс, то для накачки стержня становится важна мощность излучения, а полная энергия в импульсе становится неважной. (На самом деле и тут и там важна энергия, которую удается излучить за время жизни верхнего лазерного уровня, но во втором случае эта энергия прямо пропорциональна излучаемой мощности).

Из сказанного понятно, что для данной конкретной задачи нет смысла питать светодиод килоамперными импульсами наносекундной длительности. Был собран генератор импульсов тока длительностью 250 мкс. Схема его приведена на следующем рисунке.

На самом деле схема, конечно же, не батарейная. Сигнальная часть схемы (та, что на 555-м чипе) питается от понижающего сетевого блочка питания (на схеме обозначен, как батарейка слева), а силовая часть схемы (та, что на IRFP460) питается от ЛАТРа с выпрямителем.

Контур L1C3 настроен на основную частоту, соответствующую длительности импульса в 250 мкс. Контур L2C4 - на третью гармонику.

Когда работает только контур L1C3 ток через светодиод имеет вид колоколо-образного импульса (половина синусоиды). Когда подключается контур L2C4 вершина импульса становится плоской (или даже с провалом, в зависимости от величины C4), а сам импульс становится ближе по форме к прямоугольному.

При настройке схемы следует подобрать величину индуктивности L2 так, чтобы провал от осцилляций в контуре L2C4 сидел точно на вершине импульса, даваемого контуром L1C3. Если это условие не выполнено, подключение контура L2C4 может не улучшить, а ухудшить форму импульса.

Когда импеданс (величина равная sqrt(L/C)) контура L1C3 больше сопротивления светодиода (точнее больше величины падения напряжения на светодиоде, отнесенной к величине тока через светодиод) схема работает как стабилизатор тока в светодиоде.

Контроль тока через светодиод осуществляется путем подключения осциллографа к выводам резистора Rcurrent_sense. Изменяя величину зарядного напряжения C3 можно регулировать ток через диод. При насыщении ферритовых сердечников катушек L1 L2 форма импульса может искажаться, поэтому чем больший ток Вы желаете получить от этого драйвера, тем большего сечения ферриты следует выбирать.

Импульсная выходная мощность светодиода регистрировалась датчиком на основе фотодиода BPW-34, нагруженного на сопротивление 300 Ом. Такой датчик прост по конструкции и, в то же время, более менее линеен, и дает достаточный для измерений сигнал. Область линейности датчика простирается до ~1.1 Вольта. Если выходной сигнал превышал это значение фотодиод приходилось относить от светодиода подальше, а затем "сшивать" результаты измерений.

Таблица 5. Результаты измерения излучаемой мощности светодиодов в зависимости от тока питания в импульсном режиме.

Приведенные в таблице 5 значения показаний датчика являются натуральными только до 1.1 В. Значения выше 1.1В восстановлены путем деления реальных показаний на коэффициент ослабления.

Понятно, что показания не соответствуют реальной мощности. Однако, если путем ослабления сигнала мне удалось удержать линейность датчика, то полученные данные позволяют судить о том, насколько импульсная мощность светодиода на повышенном токе больше, чем мощность того же светодиода на номинальном токе.

Мощности излучения светодиодов на номинальном токе были уже измерены ранее (см табл 1). Таким образом, чтобы узнать до какой мощности удается разогнать светодиод, нужно взять из таблицы 5 показания датчика для какого-либо из значений тока из таблицы 1 (проще всего для 0.64 ампера). Если в таблице 5 отсутствуют данные для выбранного тока, их надо получить путем экстраполяции или интерполяции.

ПРИМЕР: экстраполированное к току 0.64 ампера значение для желтого светодиода будет
0.44*0.64/0.72 = 0.39 В. Из таблицы 1 видим, что при питании током в 0.64 А желтый светодиод дает
173.4 mW в свете. Т.е. 1 вольт показаний датчика соответствует 444 мВт/Вольт.

Из таблицы 5 получаем, что максимально достигнутые показания датчика 2.6 Вольта. Т.е. достигнута мощность в 1.144 Вт. Эту процедуру надо проводить независимо для каждого из диодов, поскольку при измерениях разные диоды находились на разных расстояниях от датчика, т.е. значения показаний датчика (в милливольтах) для разных диодов не сравнимы между собой.

20.04.2021

Итак получили, что белый Cree и трехваттный SMD 740nm могут быть в импульсе разогнаны до излучаемых мощностей свыше 4 Вт. В принципе этой информации совместно с величинами поглощения в стержне YAG:Nd должно хватать для расчета количества светодиодов, необходимого для лазера. Однако настораживает большое расхождение между величинами поглощения, оцененными с помощью Пельтье калориметра и величинами полученными с помощью фотодиода. Такое ощущение, что измерения по Пельтье занижают результат, а по фотодиоду - завышают.

Ну, во-первых, при измерениях мы предполагаем, что энергия света светодиода, поглощенная в стержне, в стержне и остается, и не дает вклада в показания калориметра. На самом деле это не так. Будучи лазерной средой с хорошим квантовым выходом люминесценции, YAG:Nd является хорошим переизлучателем поглощенной энергии обратно в окружающее пространство. А поскольку, в отличие от кремниевого фотодиода, чувствительность калориметра слабо зависит от длины волны, излученный стержнем свет вполне может давать вклад в показания.

Впрочем, этот вклад можно попытаться оценить из теоретических измышлений:

ПРОЩЕ ГОВОРЯ ПОГЛОЩЕНИЕ, ПОПРАВЛЕННОЕ НА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ, РАВНО НЕПОПРАВЛЕННОМУ, ДОМНОЖЕННОМУ НА 1.39

Кстати говоря для желтого домножать надо не на 1.39 а на 1.29 а для зеленого на 1.25

Как видим, даже будучи поправленными на люминесценцию, значения, полученные по калориметру (таблица 3) изрядно не дотягивают до значений, полученных с фотодиодом (таблица 4). Для фотодиода результат домножать на поправку на люминесценцию не следует, поскольку чувствительность кремниевых фотодиодов вблизи 1064 нм на один-два порядка ниже чувствительности к излучению накачки.

Объяснить занижение измеряемого при помощи калориметра значения поглощения люминесценцией не удалось. Что там может быть еще? Возможно, что тепло, выделяемое в стержне при поглощении излучения попросту не может выйти из-под коробочки со щелевой диафрагмой, и ему приходится выходить оттуда через поверхность Пельтье-элемента. В таком случае, сколько бы стержень ни поглощал, все подведенное светом накачки тепло в любом случае будет зарегистрировано калориметром.

После этого предположения в корпус щелевой диафрагмы были добавлены вентиляционные отверстия. Это не помогло. Результат по прежнему заниженный. Тем не менее, в процессе измерений было замечено, что в первые 30 секунд измерения поглощение, вроде бы существенно, но по мере ожидания показания калориметра со вставленным стержнем начинают приближаться к показаниям без стержня.

Температура тела (в данном случае поверхности калориметра), нагреваемого постоянным притоком мощности и имеющего сток тепла в виде постоянного теплового сопротивления может быть представлена в виде:

T(t) = To*[1-exp(-t/tauT)], где To - постоянная температура (вообще говоря равная отношению притока тепла к тепловому сопротивлению оттока), tauT - температурная постоянная времени, зависящая от теплоемкости тела и от теплового сопротивления стока, t - момент времени (в который производятся
измерения). Поскольку калориметр один и тот же, то постоянная времени tauT не должна зависеть от того, со стержнем или без него выполняются измерения. Если обозначить T1 - стационарную температуру, которой достигает поверхность калориметра со стержнем, а T1 - то же самое, но без стержня, то:

Т.е. если нас интересует не абсолютная величина, а отношение величин, то совершенно необязательно ждать устоявшихся показаний калориметра. Достаточно оба отсчета (со стержнем и без) выполнить через один и тот же интервал времени, после включения светодиода. А это значит, не нужно дожидаться, когда стержень или светодиод основательно прогреются, и в дело вступят какие-нибудь неучтенные факторы, искажающие результат.

Для SMD диода на 3W и 740 нм попытка выполнить измерения таким способом была сделана. Показания калориметра со стержнем и без стержня снимались на 30-й секунде после включения светодиода. Перед включением светодиода выжидалось, чтобы показания калориметра релаксировали до величины не более 0.5 мВ.

Таблица 6. Результаты измерения поглощения излучения LED 3W 740 nm Пельтье калориметром по способу с укороченным временем измерения. В предпоследнем столбце - величина поглощения, вычисленная как ранее (с поправкой на Френелевские потери). В последнем столбце - величина поглощения дополнительно поправленная на люминесценцию (см. выше в тексте.)

Соглашусь, что приведенные выше измышления напоминают попытку "натянуть результат за уши." С другой стороны они хотя бы выглядят вполне логично и позволяют до некоторой степени "свести концы с концами". С третьей стороны мне привычнее больше доверять показаниям калориметра, чем какого-то там фотодиода. Поэтому с моей собственной точки зрения, значения, приведенные в таблице 6 наименее ненадежны из всех результатов измерения поглощения.

Теперь, когда поглощение в стержне более-менее как-то известно, можно вычислить, а сколько же диодов надо для лазера. Как и ранее предположим, что стержень имеет диаметр 3 мм (делать такой лазер на более крупном стержне - это откровенно нарываться, что гора в очередной раз породит мышь).

Предположим, хотим, чтобы усиление было 1.5 на проход.

Пользуясь калькулятором усиления узнаем, что запасенная на верхнем лазерном уровне энергия должна быть не менее 6.08 мДж.

Требуемая поглощенная энергия накачки тогда: 6.08*1064/740 = 8.74 мДж.

Поделив эту величину на поглощение в стержне получим требуемую энергию, дошедшую до поверхности стержня: 8.74 мДж/0.32 = 27.32 мДж.

Угловой размер стержня при наблюдении из центра кристалла светодиода, когда стержень касается купола SMD LED, Равен около 80 градусов. Ширина раскрыва диаграммы направленности светодиода (по данным продавца) 146 градусов. Таким образом коэффициент доставки: 80/146 = 54%

Стало быть, чтобы до поверхности стержня дошло 27.32 мДж, необходимо, чтобы диоды излучили 27.32/0.54 = 50.6 мДж в свете.

Поскольку длительность импульса 250 мкс это соответствует мощности в 50.6e-3/250e-6 = 202 Вт.

Закладывая так называемый "зазор безопасности" и считая, что более менее надежно каждый диод может излучить 4 Вт, получим что для накачки лазера нужно не менее 50.6 шт диодов.

Считая, что "запас карман не тяготит" и с учетом того, что данные диоды продаются на ali партиями по 20 шт, "округлим" количество до 60 шт.

Следующий вопрос: удастся ли разместить 60 светодиодов вплотную к стержню. Чисто геометрически ответ: ДА. Например, в виде 5 линеек по 12 диодов в каждой. Поперечный размер диода 3.5 мм, так что в длину такая сборка может быть 42 мм...

Для проверки была сделана печатная плата. Шаблон для лута вот:

И на эту плату с помощью припоя ПОС-60, электроплитки и Божьей матери были напаяны 12 шт диодов. Вот что получилось:

Полная длина сборки получилась 50 мм, длина светящей части 42 мм.

Неровность напайки - есть надежда, что мимо стержня не промажет.

По видимому, вокруг стержня разместить 60 диодов действительно удастся.

Диоды заказаны. Ждем. Через месяц-два, когда они придут, ждите результатов проб на лазерную генерацию.
...

30.12.21

Приношу свои извинения за то, что так долго не было продолжения. 2021-й год выдался аномально теплым, лето было длинное и, соответственно, было как-то не до лазеров. Хуже того, малюсенький мешочек с купленными весной SMD-диодами за лето успел куда-то протеряться и пришлось заказывать новые... В итоге они пришли и теперь, наконец-таки, можно представить результат.

Вкратце все просто: лазер был собран и таки сподобился загенерить. Конфигурация следующая: стержень YAG:Nd размером ф3х50 мм, с плоскими просветленными торцами, в резонаторе из плоского глухого (R>99%) и плоского выходного (R=70%) зеркал. Вокруг стержня вплотную размещены пять самодельных сборок (линеек) по 12 шт светодиодов (SMD, 3W, 740nm). Диоды питаются импульсами длительностью 240 мкс от самодельного блока питания. Пороговый ток (ток накачки) оказался равным 6..7 ампер.

Линейки были спаяны точно так же, как и предыдущая пробная линейка. Некоторые неудобства при сборке вызвало то, что часть диодов имела купол (линзу) высотой 1.4 мм, а часть - высотой в 1 мм. А плюс к этому у них обратная полярность подключения к выводам SMD-подложки. В итоге, в сборе, когда линейка лежит диодами прямо на лазерном стержне, ее слегка перекашивает. Да и обратная полярность тоже не сразу была отловлена - поначалу линейки (наполовину состоящие из "новых" а наполовину из "старых") диодов попросту не работали. Пришлось перепаивать. Мораль - не надейтесь на поножовщину деталей из datasheet'a. Если есть возможность "прозвонить" мультиметром перед впайкой, никогда не ленитесь это сделать.

Смонтированные линейки были соединены последовательно и вручную размещены, образовав вокруг стержня призму с пятиугольником в основании. Вся сборка зафиксирована посредством обмотки скотчем:

Схема блока питания была приведена выше. А вот фото сборки. Внутри и снаружи.

Надо сказать, что после сборки блока питания далеко не сразу удалось получить на выходе вразумительную форму импульса тока (такую, как была рассчитана по симуляции в LTSpice). Дело оказалось в том, что в качестве накопительных емкостей (С3 и С4 по схеме) были использованы алюминиевые электролитические конденсаторы. Замена С3 на пленочный пусковой конденсатор несколько улучшила дело, но форма импульса была все еще далека от приемлемой. В итоге пришлось набрать накопительные емкости из майларно-пленочных такого вот вида:

В реальности блок питания выдает импульсы накачки длительностью около 250 мкс следующие с частотой повторения 9.5 Гц. Ток накачки устанавливается путем изменения напряжения заряда накопителей С3 и С4 (с помощью ЛАТРа). Измеряется ток накачки осциллографом, подключенным к ногам токоизмерительного шунта Rcurrent_sense (в данной конструкции Rcurrent_sense=1 Ом). В процессе тестов с одиночными диодами было выяснено, что этот блок питания достаточно легко выдает токи, достаточные для сжигания любого из испытанных диодов (более 20 ампер). Однако при нагружении на все 5 последовательно соединенных линеек (60 диодов) блок питания оказался способен продавить только 8 ампер при максимальном доступном напряжении заряда накопителя (250 вольт по лимбу ЛАТРа).

8 ампер - маловато даже по отношению к насыщению зависимости мощности светодиода от тока, однако было решено пробовать с тем, что есть. Вот так выглядит лазер в сборе, будучи установлен поверх блока питания:

Съемка велась камерой через фильтр из стекла ИКС-3, чтобы яркие вспышки красного света от светодиодов не маскировали инфракрасное, и поэтому неяркое, пятнышко лазерного излучения. Надо сказать, что в нынешние времена отнюдь не каждая камера хорошо видит излучение неодимового лазера. На самом деле излучение с длиной волны 1064 нм лежит еще вполне в пределах области чувствительности кремниевых фотодиодов и фототранзисторов, а значит и видеокамер. В низкой чувствительности виноват отнюдь не кремний, а так называемый "Байеровский" фильтр - тонкая слабоокрашенная пленочка, нанесенная прямо на поверхность КМОП или ПЗС матрицы в камере. В Сети имеются примеры его удаления, однако процедура это трудоемкая и не со 100%-ной вероятностью успеха. Мне оказалось проще подобрать чувствительную из имеющихся.

Попытки снимать лазерное излучение черно-белой камерой с аналоговым выходом через плату видеозахвата были успешны... с одной оговоркой. Оказалось, что либо камера либо плата видеозахвата совершенно не справляется с импульсно-периодическим сигналом. Положение лазерного пятна в кадре по вертикали не имеет ни малейшего отношения к реальному его месту, да еще и меняется от кадра к кадру. В принципе уже с этой камерой стало понятно, что лазер генерит, однако в качестве "пруфпика" кадры оказались никуда ни годными. Ну а то, что получилось с помощью дешевого китайского видеорегистратора, вы уже видели.

Регулировка тока накачки лазера показала, что пятно от лазерного луча на экранчике исчезает, когда ток становится ниже 6..7 ампер. Стало быть где-то здесь и находится порог генерации. Значит при токе накачки в 8 ампер лазер находится на 14% - 30% выше порога.

Кроме того было обнаружено, что где-то за полминуты - минуту лазерное пятно слабеет - теряет яркость. Если в этот момент лазер остановить и пощупать диодные линейки, можно обнаружить, что они нагреты градусов до сорока - пятидесяти. Скорее всего именно с этим и связано снижение мощности генерации. Стало быть столь примитивная конструкция лазера для длительной работы непригодна. Надо заморачиваться с охлаждением.

Измерение мощности генерации по Пельтье-калориметру ничего вразумительного не показало - лазер затыкается задолго до того, как показания калориметра стабилизируются.

ТЕОРЕМА о том, что не имея доступа к продукции лазерно-диодной промышленности тем не менее можно сделать самодельный лазер с диодной накачкой ДОКАЗАНА.

Требуемые коэффициенты отражения зеркал отнюдь не заоблачны.

Схемотехника блока питания где-то между "просто" и "примитивно".

Светодиоды на необходимую мощность и длину волны пока еще доступны при покупке по интернету. Хотя не факт, что это будет продолжаться долго.

Цена - ну... не сказать, что дешево. Чтоб делать лазер с такой мощностью за такую цену, это, вообще говоря, сильно захотеть надо.

Что до мощности, то, думаю, не следует судить по такому макетику. Во первых, конечно же надо уходить вверх от порога генерации, иначе никакого кпд не будет и в помине. А во-вторых надо оснащать лазер охлаждением и увеличивать частоту.

20.01.22

Генерация получена. Она видна на камере, а при хорошей фокусировке удается оставить микроточечки на копирке. Энергия на уровне порядка 300 мкДж. Сразу оговорюсь, что измерение милливатных мощностей и микроджоульных энергий не по моим средствам, поэтому погрешность порядка самого результата.

Самое злостное тут - то, что лазер сидит на самом пороге. Действительно, генерация появляется между 6 и 7 ампер. Для определенности будем считать, что при 6.5, а при 8 амперах вылазит 0.3 мДж. Если взять данные с кривой зависимости излучения 740-го диода от тока, то получится, что при 8 амперах он излучает 1948 относительных единиц мощности, а при 6.5: (1836+1725)/2 = 1780.5. Поделив одно на другое получим: 1948/1780.5 = 1.094. Т.е. лазер находится всего на 9% над порогом генерации. Понятно, что больше, чем свое превышение над порогом он излучить тупо не в состоянии. Т.е. из всей запасенной в стержне энергии излучается не более 9%.

Стало быть надо увеличивать накачку. Но как? Даже при 15 амперах ожидается всего лишь
2284/1780.5 = 1.28. Увеличить количество диодов? Но больше пяти 12-диодных линеек вокруг стержня тупо геометрически не влезает. А если взять более толстый стержень, снизится усиление и лазер может и вовсе до порога не добраться.

Правда в лазерной технике есть еще одно тайное дзюцу. Можно попробовать увеличить не реальный, а "видимый" диаметр стержня. Для этого достаточно засунуть его в трубку из сильно преломляющего материала. Если показатель преломления этого материала равен n, то видимый размер стержня увеличится в n раз. Если n=1.5 (показатель преломления стекла, полистирола, силикона), а реальный диаметр стержня 3 мм, то видимый диаметр можно догнать до 4.5 мм.

Вопрос только в том, чтобы подобрать подходящую трубку и высокопреломляющую жидкость, для заполнения промежутка между стержнем и трубкой. (На всякий случай напомню, что если в промежутке между трубкой и стержнем останется воздух, то никакого увеличения видимого диаметра не произойдет.)

С подбором подходящих трубочек возникли некоторые проблемы. Более менее подошел отрезок шланга от капельницы, однако его наружный диаметр составляет не 4.5 мм, а только 4 мм.
4мм/3мм = 1.333 - т.е. заливать можно даже водой. Как оказалось, вокруг стержня диаметром 4 мм можно (с некоторым напрягом и с зазором от стержня до купола диода ~0.5 мм) разместить не 5, а 7 линеек. Были спаяны еще две 12-диодных линейки, а кроме того был отлит (из припоя
ПОС-60) держатель-теплоотвод для этих линеек.

Все 7 линеек были соединены последовательно. Естественно, что блок питания не справился продавить через них ток даже в 8 ампер даже при максимальном доступном на ЛАТРе напряжении питания. Чтоб не заморачиваться, вопрос был решен "в лоб": между ЛАТРом и блоком питания поставлен удваивающий выпрямитель. В итоге появилась возможность поднимать ток накачки до 15 ампер даже при
нагрузке на все 7 линеек.

Испытания лазера (трехмиллиметровый стержень в рубашке 4 мм, выходное зеркало 70%, второе зеркало - глухое) в получившемся осветителе показали, что порог генерации достигается при токах чуть меньше 5 ампер. Примем для определенности, что при 4.9 ампера. На этом токе диод дает 1577 относительных единиц мощности. Значит на токе 15 ампер ожидается 2284/1577 = 1.45 Т.е. 45% -ное превышение над порогом.

Попытка измерения выходной мощности дала что-то вроде 1.4+-0.3 мДж на токе 15 ампер. А так "по ощущениям" - лазер стал работать гораздо стабильнее, да и в фокусе линзы жжот копирку "до белых точек". На зажигание спички или что-либо еще более полезное мощи пока не хватает.

Да, кстати. Попытки засунуть в осветитель стержень диаметром 5 мм ни к чему не привела. Нет генерации. Зеркала те же (70%/99%), длина резонатора - разная. От 100 до 150 мм. (Дело в том, что 5 миллиметровые стержни обычно заметно длиннее, чем трехмиллиметровые.)

16.02.2022

Для проверки работоспособности лазера с другими диодами были (все на том же али) приобретены 60 шт диодов на 730 нм. Заказывались они еще когда лазер состоял из 5-и линеек по 12 шт в каждой. Ныне их не хватает, чтобы полностью заменить все диоды в осветителе с 740-вых на 730-е, однако даже если заменить не все, а только пять линеек из семи, то тенденция уже четко должна быть заметна. Отследив порог и выходную мощность генерации можно будет четко сказать, с какими диодами лазер работает лучше. С 740-выми или с 730-ми.

План был такой: поставить лазер со старыми (740-выми) линейками, измерить порог и мощность, потом заменить пять линеек из семи на новые (730-е) и вновь измерить порог и мощность. И сделать выводы.

Однако с самого начала все пошло наперекосяк.

Порог генерации лазера на старых линейках без проблем измерился и составил 4.7 Ампера (сравните с более ранним измерением в 4.9 Ампера). А вот с измерением мощности начались проблемы. Дело в том, что исходя из того, что ток сгорания диодов был определен как 20+ ампер, рабочий ток лазера был выбран равным 15 амперам. И лазер вполне работал на этом токе. Лишь изредка случайным образом выщелкивало один из диодов (не чаще чем раз в пару дней, или в суммарных 10 минут непрерывной наработки на частоте 9.5 Гц). Диод менялся и лазер дальше работал нормально. Но сегодня лазер наотрез отказался брать ток выше 12 ампер. И даже на 12 амперах диоды выщелкивало довольно часто (раз в 30-50 секунд непрерывной работы). Главное, непонятно, что за гадость с ним приключилась? Лазер просто месяц валялся без работы. Не включался. Лежал в тепле. Не на зимнем холоде. Его не пинали, не бросали, и вот...

В итоге пришлось за предельный ток работоспособности взять 10 ампер. На этом токе измерена выходная мощность. 11 мВт. Естественно, что выгоревшие диоды перед измерениями заменены на свежие (заменено 5 шт).

Затем лазер разобран, 5 линеек вынуто, и на их место поставлены 5 линеек, укомплектованных 730-ми диодами. Была предпринята попытка измерить порог генерации. До тока в 10 ампер генерации не обнаружено. Памятуя, что лазер, хотя бы недолго, но работал и на 12 амперах, ток был увеличен. Однако на токе где-то около 11 ампер диоды вышибло. По результатам дефектации - все новые (730-е) диоды сдохли, как один. Вот фото горелых линеек (сорри, но я слишком поздно задумался о фотографировании, так что фоток живых линеек нет)

Впрочем, повреждения на диодах небольшие, поэтому дохлые линейки на фото выглядят практически как живые. Обращает на себя внимание характерный 'красный' цвет кристалла, в то время как в старых 740-вых линейках диоды стоят с "бесцветными" кристаллами (см. фотки выше).

Походу прозвонки было заодно понято, почему 740-вые диоды выщелкивало поодиночке, в то время как эти 730-е диоды сдохли все разом. Дело в том, что 740-вые диоды (по крайней мере тот тип, который использован в этом лазере) когда дохнут, дают разрыв цепи, в то время как новые 730-е диоды уходят в короткое замыкание. Вот, собственно, в чем и разница.

Впрочем, суть полученного результата даже не в том, какой ущерб случается, когда дохнут те или иные диоды, смысл в том, что

И в принципе неважно, не работает он потому, что они недостаточно хорошо попадают в спектр, или потому, что недодают мощности. Главное, что не работает.

Январь 2023

Сделана попытка зажечь таким лазером спичку. Понятно, что на 10 Гц ловить нечего, поэтому конструкция можифицирована для работы на 100 Гц. Светодиодные линейки собраны на тонком (0.25 мм) фольгированном текстолите и смонтированы на металлическом теплоотводе (оловянная отливка с семигранной полостью).

Блок питания при попытке разгона до 100 Гц начал демонстрироать сильную просадку (скажем если на 10 Гц ставится ток 10 Амп то при переключении на 100 Гц он сваливается до 8 Амп). Понятно, что поскольку лазер сидит вблизи порога, то такая просадка дает снижение недопустимое выходной энергии в импульсе (почти на порядок). В итоге блок питания пришлось перебрать в обычный классический стабилизатор тока, который пока есть запас по напряжению, держит ток на одном уровне вне зависимости от частоты импульсов и от величины этого запаса.

К сожалению зажечь спичку лазер не сподобился даже в разогнанном состоянии. Но по крайней мере было отснято видео, заметно более высокого качества, чем раньше. И на этом видео Вы можете качественно пронаблюдать работу лазера.

По видимому ждать от этого лазера больше нечего, в связи с чем